水下采油樹在深海油氣田開發中的應用

于成龍 李慧敏

1．中海油能源發展股份有限公司采油服務分公司，廣東 湛江 524057；2. 中海油能源發展股份有限公司工程技術公司，廣東 湛江 524057

0 前言

我國海上油氣田的開發至今已有40多年歷史，但開發的油氣田大多位于灘海、淺海、近海。我國南海海域寬達200×104km2，是世界上四大海洋油氣聚集中心之一。我國海洋石油儲量約為230×108～300×108t，天然氣儲量338×1012m3［1-2］。目前，國際海洋石油工程界普遍認可的深水定義是水深300 m［3］。我國水深300 m以上的海域寬達153.7×104km2［4］，但大部分尚未被勘探，深海油氣田資源勘探開發將成為我國未來海洋石油的主戰場。

在水深300 m以上的深海油氣田建設傳統導管架平臺開發的經濟性很差。國內外深海油氣田開發的現有組合方案是［5］：

a）水下套管頭及采油樹+張力腿平臺+浮式生產儲油輪或浮式儲油輪+穿梭油輪；

b）水下套管頭及采油樹+半潛式平臺+浮式生產儲油輪或浮式儲油輪+穿梭油輪；

c）水下套管頭及采油樹+浮式鉆采平臺+海底管線；

d）水下套管頭及采油樹+浮式生產鉆井聯合裝置+穿梭油輪；

e）海底工作盒+撓性出油管+浮式儲油輪+穿梭油輪。

可見，水下采油樹是深海油氣田開發中必不可少的裝置。

1 水下采油樹分類及對比

海上油氣開采使用的水上和水下采油樹存在明顯差別（見圖1～2）。水下采油樹一般可分為干式、濕式、干/濕式和沉箱式等四種型式。干式水下采油樹把采油樹置于一個密封的常壓、常溫艙里，維修人員像在陸地上一樣在艙內進行工作；濕式水下采油樹完全暴露在海水中；干/濕式水下采油樹可以轉換干/濕，正常生產時采油樹呈濕式狀態，維修時則由一個服務艙與水下采油樹連接，排空海水，使其變成常溫、常壓的干式采油樹；沉箱式水下采油樹包括主閥、連接器和水下井口，均置于海床以下的導管內，大大減少采油樹受外界沖擊造成損壞的機率。

干式采油樹裝置儀器繁多、結構復雜、成本高、技術難度較大，且對操作人員存在安全隱患，因此逐漸被淘汰；沉箱式水下采油樹與濕式采油樹相比，價格一般高出40%左右，且無其他明顯優勢；隨著濕式采油樹所釆用的金屬材料防海水腐蝕性能、水下作業水平的提高及遙控裝置的發展，目前濕式采油樹逐漸成為各石油公司的首選。

20世紀80年代的水下采油樹是生產主閥、生產翼閥及井下安全閥安置在一條垂線上的立式結構，由于其修井及鋼絲作業繁瑣、耗時，90年代起水下采油樹主要采用控制生產閥門水平放置的臥式采油樹。

圖1 海上采油平臺采油樹外觀

圖2 水下采油樹外觀

2 水下采油樹國外應用情況

20世紀70年代起，全球石油公司加速向深海邁進，水下采油樹以其經濟性好、適合深海油氣田開發等優點，在過去50多年中得到了快速發展。1967年，美國FMC公司生產出全球第一套水下采油樹，用于墨西哥灣海域，水深20 m［6］。1979年，Garoupa油田采用布置在常壓艙中的干式井口裝置的最大水下生產系統進行開采，創立了水下生產概念。1981年，Frigg North East氣田采用水下井口進行開發，1982年鉆生產井6口，1983年11月開始生產。1982年5月，Exxon公司開發的水下生產系統在Central Cormorant油田開發中應用，10月開鉆，1983年年中開始生產。90年代后，水下采油樹在國外進一步加速發展，截至2012年，國外已有超過400個項目中采用了海上油氣田水下生產系統，最大水深超過2 700 m［7］。墨西哥灣Atwater Valley項目創水下生產系統開發油氣田水深記錄，最大水深2 714 m；挪威Sncphvit氣田創距離最遠記錄，應用全水下生產系統開發油田并通過約143 km的海底多相輸送管道直接回接到陸上終端［8］。

3 水下采油樹國內應用情況

目前國內采用水下采油樹生產的油氣田有流花11-1油田、流花4-1油田、惠州26-1N&32-5油田、陸豐22-1油田、荔灣3-1氣田、崖城13-4氣田，其中流花11-1油田、流花4-1油田、惠州26-1N&32-5油田、陸豐22-1油田采用FMC公司生產的采油樹，荔灣3-1氣田采用Cameron公司生產的采油樹，崖城13-4氣田采用Aker Solution公司生產的采油樹，詳見表1。

表1 水下采油樹國內使用情況

流花11-1油田由阿莫科東方石油公司和中海油聯合開發，1996年3月29日投產，是我國第一個采用水下采油樹的油田，創立了當時世界上多個第一：第一次商業性使用濕式點接頭、控制軟管系統、電纜懸掛系統、水下控制系統、遙控作業機器人等［9-10］。陸豐22-1油田1997年投產，采用適用于ROV作業的臥式采油樹，所有閥門在水平方向設置并由水下機器人操作，16個不同性能的球閥及鎖緊裝置的操作機構等集中于3塊便于ROV操作的盤上，從操作盤上直接控制生產閥、環空閥、安全閥、化學藥劑注入閥等。另外，生產閥、環空閥、生產控制閥和SCSSV可以由平臺液壓遙控開啟與關閉，在緊急情況下可自動關斷［11］。流花4-1油田在國內水下生產系統中首次采用雙電潛泵技術、水平分支井和智能完井系統，首次研究和采用水下多相流量計、水下雙電潛泵動力分配單元及轉換開關［12］。荔灣3-1氣田為南海第一個水深達到1 500 m的深海氣田，其水下采油樹采用Cameron公司的第三代臥式采油樹，該采油樹可在井口注入水合物抑制劑，并裝有水下檢測濕氣流量計等多種在線控制及檢測裝置。

4 國內外水下采油樹制造能力的差別

20世紀60年代以來，世界上已有1 200多套水下采油樹應用在超過400個采油項目中，這些采油樹的國外生產商（如FMC、Vetco、Cameron、Dril-Quip等公司）經過50多年的研發，實現了深水井的完井、控制和生產開發［13］。目前國外水深3 000 m內的水下生產系統在設計、建造、安裝技術上已經成熟［14］。

我國江鉆股份公司、金石集團、美鉆石油鉆采系統有限公司等具有一定生產能力。2010年，金石集團與美國Argus公司在中國市場推出了國內首個AZ-10新型中心孔式水下采油樹，是目前世界上唯一同心結構的水下垂直采油樹。但目前未見有國產水下采油樹海上油氣田實際用例的報道，水下采油樹的制造、檢測、安裝、維護基本被國外公司壟斷。

5 水下采油樹發展趨勢

a）在工作水深200 m或控制長度1 000 m以內，大多發展直接控制和先導液壓控制，進行直接控制或對于較大的液壓執行器采用先導液壓換向［15］，對于300以上水深海域多采用多路傳輸、電液控制技術。國外一些水下采油樹廠家正在研究采用代表水下采油樹發展方向的全電式控制技術，第一臺全電控的水下采油樹由Cameron公司生產，已在北海K5F氣田投入使用。

b）隨著聲光電波等領域新技術的快速發展，未來大型海上油氣田開發采用遠程全自動控制及系統智能檢測成為人們追求的目標。

c）隨著海上油氣田勘探開發技術的進步，越來越多的深海油氣田將投入開發，對采油樹的標準壓力及控制方面的要求會越來越高，研究開發具有高安全性和適應性的水下采油樹，必將成為今后很長一段時間內需進一步研究的重點和熱點課題。

6 結論

隨著我國石油企業向深海油氣田進軍步伐的加快，水下采油樹在我國深海油氣田開發中將發揮越來越大的作用。但目前水下采油樹項目的設計、制造、安裝基本由國外公司主導，國內的制造、施工技術都相當匱乏。為滿足深海油氣田開發的需要，應利用與國外合作項目的機會提高水下采油樹的制造水平和施工、安裝能力。同時，應培養專業化水下采油樹安裝隊伍，以及與水下采油樹安裝相配套的安裝設備和機具。

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